革命性自供电转导机制用于长效稳定葡萄糖监测：在微工程纸基平台中实现选择性敏感细菌孢子萌发

2024-12-30 Mon
革命性的自供电葡萄糖监测机制：基于微生物孢子的微工程纸基平台学术背景糖尿病是一种慢性代谢疾病，其特征是血糖水平升高，可能导致心血管疾病、视网膜病变、肾衰竭和神经病变等严重并发症。全球糖尿病患者的数量预计将从2021年的5.29亿增加到2050年的13亿，因此有效的血糖监测变得尤为重要。尽管目前的医疗手段无法治愈糖尿病，但通过血糖监测，患者可以更好地管理病情，预防并发症的发生。
传统的血糖监测设备通常依赖于酶基电化学传感器，这些传感器虽然具有高选择性和便携性，但酶的降解问题限制了其使用寿命和稳定性。近年来，研究人员开始探索非侵入式、连续监测的血糖监测技术，如通过汗液、唾液和泪液等生物体液进行监测。然而，现有的连续血糖监测系统（CGM）通常只能持续几天，并且需要特定的储存条件以维持其性能。
为了解决这些问题，Gao等人提出了一种基于微生物孢子的自供电葡萄糖监测机制，利用Bacillus subtilis孢子在富含钾的生物体液（如汗液）中对葡萄糖的选择性萌发，生成电信号，从而实现葡萄糖的检测。这一创新方法不仅延长了传感器的使用寿命，还提高了其稳定性和选择性。
论文来源该论文由Yang Gao、Anwar Elhadad和Seokheun Choi共同撰写，他们分别来自美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的电气与计算机工程系和生物电子与微系统实验室。论文于2024年发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
研究流程与结果研究流程孢子萌发机制的研究

研究人员首先研究了Bacillus subtilis孢子在富含钾的人工汗液中对葡萄糖的萌发反应。通过荧光显微镜和电化学分析，观察了孢子在葡萄糖存在下的萌发过程及其电化学活性。
微生物燃料电池（MFC）的设计与制造

研究人员设计了一种基于纸基的微生物燃料电池（MFC），将Bacillus subtilis孢子接种在阳极区域，阴极区域则涂有银氧化物（Ag2O）作为催化剂。通过蜡打印技术，将阳极和阴极区域分隔开，确保电子和质子的有效传输。
葡萄糖检测与电信号输出

在MFC中，葡萄糖的存在触发了孢子的萌发，生成的代谢活性细胞通过电化学反应产生电子和质子，形成电流。研究人员通过外部电阻测量了不同葡萄糖浓度下的电压和功率输出，并建立了校准曲线。
便携式读出接口的集成

为了将MFC的电信号转化为可视化的葡萄糖浓度指示，研究人员设计了一个紧凑的读出接口，使用LED阵列显示葡萄糖浓度。该接口由硬币电池供电，能够实时显示葡萄糖水平。
主要结果孢子萌发与葡萄糖浓度的关系

实验表明，Bacillus subtilis孢子在葡萄糖存在下能够迅速萌发，且萌发速率和代谢活性细胞的数量与葡萄糖浓度成正比。通过荧光显微镜和电化学分析，研究人员证实了孢子在葡萄糖存在下的电化学活性。
MFC的灵敏度与选择性

MFC在0.2至10 mM的葡萄糖浓度范围内表现出高灵敏度，检测限（LOD）为0.07 mM。与传统的酶基传感器相比，MFC在长时间储存后仍能保持稳定的性能，表现出显著的优势。
便携式读出接口的性能

集成后的MFC传感器能够通过LED阵列实时显示葡萄糖浓度，适用于非侵入式、可穿戴的血糖监测应用。该系统的紧凑设计和低功耗特性使其成为未来糖尿病管理的潜在工具。
结论与意义该研究提出了一种基于微生物孢子的自供电葡萄糖监测机制，通过Bacillus subtilis孢子在富含钾的生物体液中对葡萄糖的选择性萌发，生成电信号，实现了葡萄糖的高灵敏度和选择性检测。与传统的酶基传感器相比，该系统的显著优势在于其长期稳定性和自供电特性，能够克服现有技术的局限性。
这一创新方法不仅为糖尿病管理提供了新的解决方案，还为未来的生物传感应用开辟了新的道路。通过进一步优化孢子萌发速度和钾浓度的影响，该技术有望在临床和可穿戴设备中得到广泛应用。
研究亮点高灵敏度与选择性：MFC在0.2至10 mM的葡萄糖浓度范围内表现出高灵敏度，检测限为0.07 mM，且能够准确区分葡萄糖与其他干扰物。
长期稳定性：与传统的酶基传感器相比，MFC在长时间储存后仍能保持稳定的性能，表现出显著的优势。
自供电与可穿戴性：通过集成便携式读出接口，MFC传感器能够实时显示葡萄糖浓度，适用于非侵入式、可穿戴的血糖监测应用。
未来方向尽管该研究取得了显著成果，但仍有一些挑战需要解决。例如，孢子萌发速度较慢，可能影响实时监测的效率。未来的研究可以探索通过热激活等方法来加速孢子萌发，并进一步优化钾浓度对传感器性能的影响。
该研究为葡萄糖监测技术的发展提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。